jt nucleare da fusione broader approach - enea — it

JT‐60SANucleare da Fusione ‐ Broader Approach

Frascati Tokamak Upgrade (FTU)

Antonio Cucchiaro per conto della Unità Tecnica Fusione

Ricerca di Sistema Elettrico‐Roma‐24 Novembre 2011

Antonio Cucchiaro per conto della Unità Tecnica Fusione

1


N l d F i

L’energia gioca un ruolo fondamentale nellosviluppo dell’umanità e nel raggiungimento di

Nucleare da Fusione

sviluppo dell umanità e nel raggiungimento diadeguati livelli di vita.

La combustione è la reazione che avviene traLa combustione è la reazione che avviene tralʹossigeno dellʹaria e altri elementi ed èaccompagnata da un forte sviluppo di energia(reazione esotermica).( )

I reagenti iniziali modificano la loro struttura ecomposizione originaria per generare i prodottidella reazione coinvolgendo gli elettroni esterniattraverso la formazione o la rottura deicosiddetti legami chimici.

L’energia di legame degli elettroni in gioco è diqualche eV.

CH4 + 2 O2 = CO2 +H2O + Q ( 191,76 Kcal per mole di metano) 2


N l d F i

Il nucleo degli atomi è tenuto insieme daforze intense e a breve raggio di azione le

Nucleare da Fusione

forze intense e a breve raggio di azione, leforze nucleari.

Sono possibili quindi combustibilinucleari:

la reazione di fusione di due nuclei1D2 + 1T3 = 2He4 + 0n1

3.5 MeV + 14.1 MeV

la reazione di fusione di due nucleileggeri (A < 10), in cui si origina unnucleo più pesante, produce ∼ 18 MeV;

la reazione di fissione, in cui un nucleomolto pesante (A > 200) si spezza in duenuclei più leggeri, rilascia ∼ 200 MeV .p gg

La reazione di Fusione più favorevole èquella in cui si fonde il deuterio con iltrizio per dar luogo ad elio ed un neutronein un plasma a ∼ 10 keV. 3


N l d F iIl plasma (ionizzato) deve essere confinatoper un tempo sufficiente per la fusione

Nucleare da Fusione

per un tempo sufficiente per la fusione(Lawson).Nel confinamento magnetico siutilizzano le forze di Lorentz.

Il tokamak è un dispositivo diforma toroidale caratterizzato da una camerada vuoto a ciambella in cui il plasma èconfinato mediante un intenso campomagnetico con linee di forza a spirale.

Questa configurazione magnetica è ottenutamediante la combinazione di un campomagnetico toroidale di confinamento e un

l id l di t bili icampo poloidale di stabilizzazione.

Il plasma è ottenuto per induzione dallebobine del trasformatore centralebobine del trasformatore centrale.

4


Il Broader Approach

Europa, Cina, Corea del Sud, India, Giappone, Federazione Russa e Stati Unitih l f l I E I l h lhanno riunito i loro sforzi nel progetto ITER (International ThermonuclearExperimental Reactor) ITER in costruzione a Cadarache in Francia (Progetto dacirca 6.6 B€). L’obiettivo è di avere un reattore entro la prima metà del secolo.

A margine dei negoziati per decidere il sito di ITER, Europa e Giappone hannoratificato un accordo di collaborazione denominato ‘Broader Appproach’ (BA)destinato ad accelerare lo sviluppo dell’energia da fusionedestinato ad accelerare lo sviluppo dell energia da fusione.L’accordo, che ha un valore di circa 660 M€ da suddividere in parti uguali tra EU eJ, include:

• La realizzazione di un esperimento tipo tokamak denominato JT60‐SA• La realizzazione di un esperimento tipo tokamak denominato JT60‐SA• La progettazione e la realizzazione di prototipi per la sorgente intensa di

neutroni IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility)• L’istituzione del centro di studi IFERC (International Fusion EnergyL istituzione del centro di studi IFERC (International Fusion Energy

Research Cente)

Per finanziare l’accordo, Francia, Italia, Spagna, Germania e Belgio hanno offerto, , , p g , gdei contributi finanziari per forniture ‘in kind’. L’offerta è stata fatta inconsiderazione del valore industriale e strategico di questo programma. 5


Il B d A hFinanziamento sulla base di contributi volontari: Francia (180M€); Italia (90M€);Spagna (50M€); Germania (12M€).

Il Broader Approach

Per l’Italia coinvolti CNR(15M€); INFN(25M€) ENEA (50M€)L’accordo è regolato da specifici ‘Agreement of Collaboration’ con l’agenziaeuropea Fusion for Energy che impegnano i vari paesi a fornire il proprio

t ib tcontributo.

Stadio acceleratore IFMIFStadio acceleratore IFMIFINFN

JT60-SAENEA: Magnete + Parte al. elettriche Target IFMIFMateriali Ceramici Compositi

Associazione Euratom-ENEA sulla F i

gCRFX: parte alimentazioni elettriche ENEA

ate a Ce a c Co pos tENEA con FN


Le Attività ENEA nel PAR 2011Le Attività ENEA nel PAR 2011

JT‐60SANucleare da Fusione ‐ Broader ApproachIl Broader ApproachIl Broader Approach

LʹENEA è impegnato nella Costruzione,Collaudo e Spedizione a Naka del MagneteCollaudo e Spedizione a Naka del MagneteToroidale della Macchina Tokamak JT‐60SA e diparte dei sistemi di alimentazione elettrica. Laprogettazione neutronica, termica, strutturale,progettazione neutronica, termica, strutturale,elettrica è stata completata.

JT‐60SA è un Tokamak Superconduttore che saràJ prealizzato nella Torus Hall che attualmenteospita il Tokamak JT‐60U.

L’ENEA è responsabile di:

• Nove delle 18 bobine superconduttrici di NbTi chelcostituiscono l’intero magnete;

• Le casse di contenimento per tutte le 18 bobinecostituite da componenti in acciaio austenitico;

• Le alimentazioni elettriche per un totale di 8Le alimentazioni elettriche per un totale di 8alimentatori ad alta tensione e corrente con relativiinterruttori e trasformatori più quattro sistemi diinterruzione della corrente continua .

8


Magnete Toroidale JT‐60SA (A1; A2)

I 18 ti d tt i (NbTi)I 18 magneti superconduttori (NbTi)di campo toroidale di JT‐60SA sonodi forma a D avvolti con un cavo inNbTi raffreddato da un flussoNbTi, raffreddato da un flussoforzato di elio supercritico allatemperatura di 4.4 gradi Kelvin.

Ciascun avvolgimento della bobina èformato da 6 doppi pancake collegatiin serie da giunti elettrici interni perin serie da giunti elettrici interni perassicurare la continuità elettrica;giunti esterni garantiscono laconnessione elettrica con le bobine

STRANDS IN NbTi

CAMICIA DI CONTENIMENTO

contigue mentre dei collettoriprovvedono alla distribuzione delflusso di elio.

9



L’avvolgimento della bobina è contenuto in una cassai AISI h tit i il i i l tin AISI che costituisce il principale componentestrutturale del sistema magnetico.La prima delle bobine sarà pronta entro la metà del2014 e dopo il superamento delle prove criogeniche2014 e, dopo il superamento delle prove criogeniche,sarà spedita a Naka (Giappone), mentre ilcompletamento dell’ultima è previsto per la metà del20162016.

10



Sono in corso di realizzazione tutte leSono in corso di realizzazione tutte leattrezzature di avvolgimento dei doppipancake, di composizione della bobina,dell’applicazione dell’isolamentoppcontromassa ed impregnazione.I componenti base della linea sono:1) aspo svolgitore Linea di avvolgimento2) raddrizzatrice del superconduttore3) impianto di pulizia del conduttore4) unità di calandratura del conduttore

g

5) impianto di sabbiatura del conduttorecalandrato

6) nastratrice del conduttore calandrato7) f di l i t i di7) forma di avvolgimento comprensiva di

riferimenti esterni ed interni8) tavola roto‐traslante per sostegno e

rota ione della forma di a olgimento11

rotazione della forma di avvolgimentosincronizzata con l’avanzamento delconduttore calandrato. Movimentazione tavola di avvolgimento



Il DP (o la bobina), agganciato allʹapposito bilancino, viene calato sopra isupporti dellʹattrezzatura per la

dinastratura di contromassa.

Terminata la nastratura, il DP può essereia a iato al bila i o di t a fe i e to

Rimozione DP dalla forma di avvolgimentoriagganciato al bilancino di trasferimentoper completare l’impilamento dei 6 DP ecompletare il contromassa della bobina.

La bobina viene quindi racchiusa nellacamera di contenimento resina, realizzatada settori di lamierino sottile di acciaio eda settori di lamierino sottile di acciaio erinforzata da staffe per raggiungere lecondizioni richieste per l’impregnazione.

12Attrezzatura di impregnazione


Alimenta ione Elettrica JT 60SA (A3 A4)Alimentazione Elettrica JT‐60SA (A3; A4)

Le alimentazioni elettriche del sistema magnetico di JT60SA, per un totale di 8g J palimentatori ad alta tensione e corrente con relativi interruttori più quattrotrasformatori, quattro sistemi di interruzione della corrente continua (SNU ‐Switching Network Unit) con inserzione di un sistema variabile di resistenza. Talisistemi richiedono una progettazione specifica e sono di dimensioni ecaratteristiche tali da suscitare un forte interesse da parte della nostra industria .Richieste d’offerta Aprile 2012.

13Schema di alimentazione elettrica.


T3G30.1MVA× 2units

18kV/803.5V%Z: 23.12% at 77.6Hz

T-CS2TBD MVA(New)× 1unit

18kV/960V%Z: ~ 24% at 77.6Hz0° -30°

0° +30°

Base PS939V/±10kA× 2units

Base PS1.25kV/±10kA× 2units

CC CC

Switching Network Unit~ -5kV

CrowBar Switch

O/C0.19 Ω

Switching Network Unit~ -5kV

CrowBar Switch

BPS

CC

C

BPS

O/C

C

CC

1 kΩ

0.19 Ω

1 kΩ

+

Quench Protection Circuit(Hybrid type)±3.8kV/±20kA

R1 R2

Current ReversingLink

+

Quench Protection Circuit(Hybrid type)±3.8kV/±20kA

R1 R2

Current ReversingLink

BPS

Schema elettrico delle SNU (4 sets)

CS1 Circuit Configuration CS2 Circuit Configuration

+SuperconductingCoil

+SuperconductingCoil

Schema elettrico degli alimentatori CS1 e CS2 (4 sets)

CS1, CS2, CS3, CS4, EF1 e EF6 ‐ 6 sets da ENEAFPPCC (Fast Plasma Position Control Coils) ‐ 2 sets

da ENEA

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da ENEA


Contributo ENEA alle attività IFMIF

L’ENEA ha la responsabilità delle seguenti linee di R&D

B. Progettazione e qualifica Ingegneristica del Target di IFMIF

L ENEA ha la responsabilità delle seguenti linee di R&D

B1 Fornitura ed implementazioni comuni per la progettazione, costruzione ed operazioni per l’impianto a litio ELITE (Oarai‐ Giappone)

B2 Fornitura ed implementazioni comuni per sperimentazioni di corrosione ed erosione per IFMIF

B3 F i d i l i i i l lifi d l i diB3 Fornitura ed implementazioni comuni per la qualifica del sistema di purificazione del litio per IFMIF

B4 Forniture ed implementazioni comuni per lo sviluppo e la qualifica del sistema di manipolazione remotizzata del target di IFMIF

B5 Forniture ed implementazioni comuni per la progettazione completa del p p p g ptarget a litio per IFMIF.

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C t ib t ENEA ll tti ità IFMIF

B1: Partecipazione ENEA alle attività ELITE –OARAI (GP)

Ri lt ti PAR 2010


Risultati PAR 2010:Fornitura del sistema di misura online per la determinazione dellaconcentrazione di N in Li e del sistema per il rilevamento della cavitazione( I componenti sono in attesa di essere trasferiti in Giappone: 20 Novembre2011)2011)

Armadio di controllo per il misuratore di impurezzamisuratore di impurezza

del litio mediante rilevamento della resistività elettrica

Sistema rilevamento cavitazione sviluppato da ENEA ed adattato all’impianto ELITE di OARAI

Misuratore di impurezza del litio (concentrazione N in Li) Resistivity Meter

Fornitura del prototipo della backplate per impianto ELITE ( progettazione di dettaglio completata)

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Contributo ENEA alle attività IFMIFB2‐B3: Sperimentazione Corrosione Erosione e Qualifica Sistema di Purificazione Litio per IFMIF


Risultati PAR 2010:

In Aprile 2010, dopo aver effettuato alcune sperimentazioni con l’impianto LIFUS 3, che ne hanno evidenziato i punti deboli è stato deciso di rimpiazzare tale impianto con una nuova infrastrutturaevidenziato i punti deboli, è stato deciso di rimpiazzare tale impianto con una nuova infrastruttura sperimentale, maggiormente adatta alle finalità di IFMIF. In particolare la nuova infrastruttura aumenterà l’efficienza di purificazione del Litio e sarà realizzata con i fondi che erano inizialmente destinati a riadattare LIFUS 3 . Un nuovo impianto a Litio (LiFus VI) è stato progettato e tutti i componenti per la sua realizzazioneUn nuovo impianto a Litio (LiFus VI) è stato progettato e tutti i componenti per la sua realizzazione sono stati acquistati.

Loop isotermo a 350°C ;Loop isotermo a 350 C ;Capacità totale 40 l di litioVelocità 16 m/sCampioni sezione di prova in Eurofer e in AISI 316Lin AISI 316L

Nuovo impianto LiFus VI17



B4: Sviluppo Sistema Manipolazione Remotizzata per il Target IFMIFRisultati PAR 2010:


sviluppo dei sistemi di manipolazione prove di tecnologia aggiornamento della DRP

Le attività sono in via di ultimazione ( Novembre 2011).

Sistemi di manipolazione Prove di tecnologia Aggiornamento della DRP

integrazione braccio roboticoIntegrazione nuova matrice per ti t l

εsw = 0.1% εsw = 0.1%

gestione telecamere

Simulazione Swelling

Guarnizione

Litio

Nuovo braccio robotico ( installazione prevista 20/11/11)Qualifica Guarnizione Immagine Stereoscopica

guarnizione

18


B5: Progettazione completa del Target a Li per IFMIFB5: Progettazione completa del Target a Li per IFMIFInlet pipe

Risultati PAR 2010Questa attività comprende le attività progettuali

Flow straightener

del target smontabile sviluppato in ENEA:progettazione meccanicaanalisi termo idraulicaanalisi neutronica

Target

ReducerNozzle

analisi neutronicaanalisi termo meccanicastima del tempo di vita del TA

Chamber Stato attività : il progetto preliminare è stato completato.

Quench Tank 19


Attività Previste PAR 2011Attività Previste PAR 2011

B1: Partecipazione ENEA alle attività ELITE –OARAI (JP)Installazione e commissioning dei dispositivi di cavitazione e del Resistivity meter;

Partecipazione alla campagna sperimentale dell’ELITE in Giappone;

Realizzazione della backplate ( concetto ENEA)Realizzazione della backplate ( concetto ENEA)

da installare in Giappone

B2‐B3: Sperimentazione Corrosione Erosione e Qualifica Sistema di Purificazione

Guarnizione

p QLitio per IFMIFCompletamento assemblaggio impianto LiFus VI e commissioning;

i li di i / i ( d i h) i ffi i i di

Litio

Prove sperimentali di corrosione/erosione( durata prima prova 2000 h) e misura efficienza sistema di purificazione

analisi dei campioni per determinazione del tasso di corrosione/erosione

Valutazione dell’efficenza del nuovo sistema di purificazione20


Attività Previste PAR 2011

B5: Sviluppo Sistema Manipolazione Remotizzata per il Target di IFMIFpp p p grealizzazione prototipo in scale reale del target di IFMIF per validazione

procedure di manutenzione remotizzata

il d ll d di i isviluppo delle procedure di manutenzione remotizzata

sviluppo software per la gestione del nuovo braccio robotico e del sistema gestione telecamereges io e e eca e e

prove preliminari di manutenzione remotizzata

Guarnizione

B5: Progettazione completa del Target a Li per IFMIFContinuazione con le attività di progettazione del target di IFMIF ( concetto

ENEA)

Litio

ENEA)

Progettazione concettuale dei dispositivi per la manutenzione del target di IFMIF

21


Contributo ENEA alle attività IFERCC1 ‐ Caratterizzazione delle proprietà fisiche composito ceramico Si/C

La grandezza che determina il trasferimento di calore è la diffusività termica

Contributo ENEA alle attività IFERC

gdata dall’equazione seguente:

λ]Km[Wty conductivi thermalλ

]s[my diffusivit thermalα11

12

−−

−

⋅⋅=

⋅=

ρλα⋅

=pC

]m[kgdensity ρ

]Kkg[J heat specificC3

11p

−

−−

⋅=

⋅⋅=

L d ibilità t i è t t l t t i di tt t di t l i d ll 3La conducibilità termica è stata valutata indirettamente mediante la misura delle 3grandezze: diffusività termica, calore specifico e densità.

Abbiamo realizzato dei campioni SiCf/SiC per la misura di diffusività termica,p pcalore specifico e densità usando la tecnologia CVI (chemical Vapor Infiltration)con disposizione delle fibre in 2D e 3D.

222D Textile Architecture 3D Textile Architecture


Contributo ENEA alle attività IFERCThermal Diffusivity

15161718

/s]

Thermal diffusivity vs. temperature for SiC/SiC materials

2D SiC/SiC materials3D SiC/SiC materialsThe thermal diffusivities of the 3D textile


89

1011121314

al d

iffus

ivity

[mm

2 / 3D SiC/SiC materials Exponential fit Exponential fit

The thermal diffusivities of the 3D textilearchitecture is around the double of that 2Din the whole arc of the temperatures.

0 200 400 600 800 1000 1200

345678

Ther

ma

Specific Heat

0 200 400 600 800 1000 1200Temperature [°C]

1200

1300

Specific heat of silicon carbide material

900

1000

1100

Cp (J

/kg*

K)

0 200 400 600 800 1000

700

800

C

0 200 400 600 800 1000Temperature (°C)

With our apparatus was possible to perform coherent measurement up to 500 °C. Specific heat (violet curve) vs. temperature with

the ENEA DTA23


Density Contributo ENEA alle attività IFERCDensityThe estimated density of the material was calculated from the weight and the volume of thesamples and was 2.53 g/cm3 for 2D and 2.63 g/cm3 for 3D textile architecture.Density has been corrected then keeping in consideration of the coefficient of olumetric


Density has been corrected then keeping in consideration of the coefficient of volumetricexpansion, the influence of the temperature is extremely small however appraisable in an error ofthe 0.2%.

Thermal ConductivityThermal Conductivity

30

Thermal conductivity vs. temperature for SiC/SiC materials The thermal conductivity (λ) is calculatedfrom the measured thermal diffusivity (α),the measured specific heat (Cp) and

24

26

28 2D SiC/SiC material 3D SiC/SiC material

y [W

/m*k

]

p ( p)estimated density (ρ) through the equation:

ραλ ⋅⋅= pC

16

18

20

22

al c

ondu

ctiv

ityThe thermal conductivity of the 3D textilearchitecture is around the double of that 2Din the whole arc of the temperatures.The increase of the thermal conductibility in

10

12

14

16

Ther

maThe increase of the thermal conductibility in

the architecture 3D in comparison to that 2Dis imputable to two factors, the presence inthe configuration 3D of fibers along the

0 200 400 600 800 1000Temperature [°C]

transversal direction and also from a smallerporosity in the configuration 3D. 24



C 2 Caratterizzazione del composito ceramico SiC/SiC in litio piombo

Programma delle attività sperimentali

C.2‐ Caratterizzazione del composito ceramico SiC/SiC in litio‐piombo

The erosion‐corrosion of SiC and SiC/SiC (including fibres andinterphase) in liquid metal (Pb‐17Li) will be investigated

T up to 1100°CT up to 1100 Crelative velocity up to 1 m/sduration 3000 h

Chemical analysis of Pb‐17Li before and after exposure and post exposureexamination of samples will be performed

The experiments will be carried out with a SiC or SiC/SiC rotatingspecimen targetp g

25


à

Completamento del progetto


Main characteristics:operation under inert gas atmosphere (He or Ar) in order to avoid Li evaporationin order to avoid Li evaporation water cooled chamber made of stainless steel heating system by MOLY-D heating shielding made of polycristallinealuminaaluminahigh density SiC crucible diam. 120 x height 250 mmrotary engine 500 rpmsliding engine elevation 150 mmsliding engine elevation 150 mm SiC/SiC specimen sizes (dia. = 50 mm, H=25 mm)Rotary speed 500 rpm (i.e., about 1 m/s)Si ibl i ( t di 120 H 250Sic crucible sizes (ext. dia. = 120 mm, H=250 mm)relief valve (rupture disc)

26


à2010 ‐ 2011Test equipment construction:

‐ sliding and rotating engines2009Construction of the oven


sliding and rotating engines, ‐ samples holder, ‐ insulation system.

o u io o e o echamber and support frame

27


FAST an ITER & DEMO Satellite experimentFAST‐ an ITER & DEMO Satellite experimentFAST main parameters

Plasma Current (MA) ≤ 8Plasma Current (MA) ≤ 8BT (T) ≤ 8.5

Major Radius (m) 1.82 Minor Radius (m) 0 64Minor Radius (m) 0.64

Elongation k95 1.7 Triangularity δ95 0.4 S f t F t 2 7 5FAST Safety Factor q95 2.7-5

Vp (m3) 23 <n>(m-3 ) ≤ 5.5x1020 FAST operates routinely at ITER

FAST

Pulse length (s) 13 -> 170 H&CD power (MW) 40

ICRH 30 (20)

FAST operates routinely at ITERand DEMO relevant conditions.

Today machines can address only l h d ECRH 4

LH 6 NNBI 0 (10)

separately these conditions

FAST was recently included in the Italian Road Map for Research

Associazione Euratom-ENEA sulla F i

NNBI 0 (10)P/R (MW/m) 22

Italian Road Map for Research Infrastructure.


C id i i C l iConsiderazioni Conclusive

• Le attività del BA complementano quelle svolte nell’ambitodel programma italiano, parte integrante di quello europeo,che vede impegnati 600 tra ricercatori e tecnici in tutta ItaliaL i i à l i ll f i d l PAR 2011 i li• Le attività relative alla fusione del PAR 2011 sono in lineacon le strategie del paese per lo sviluppo dell’energia dafusionefusione.

• Si tratta di attività che spaziano dalla superconduttività alletecnologie dei metalli liquidi, allo sviluppo di materialitecnologie dei metalli liquidi, allo sviluppo di materialiceramici avanzati per utilizzi ad altissime temperature,all’ingegneria, alla robotica. Tutte tecnologie strategiche peril futuro reattore.

• La fusione rappresenta per il paese una opportunità unicaf i i i di d f di iper sfruttare in piena indipendenza una fonte di energia

preziosa per le sue caratteristiche di piena sostenibilità.

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